診斷燃料電池濕化問題的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作的系統(tǒng)和方法，RH傳感器測量提供給燃料電池堆的陰極入口空氣的相對濕度，HFR電路測量燃料電池堆水含量。所述方法提供通過WVT單元的陰極入口空氣，從而陰極入口空氣增加的水含量。所述方法使用水緩沖模型，用于基于來自于多個系統(tǒng)部件的輸入而確定燃料電池堆的水含量，且使用HFR濕化信號或RH信號來修正水傳輸模型，以校正WVT單元降級。所述方法確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作，例如通過確定HFR濕化信號是否以比燃料電池堆水含量能夠增加的速率更快的速率增加。
【專利說明】診斷燃料電池濕化問題的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及用于確定相對濕度(RH)傳感器或高頻電阻(HFR)測量電路是否正常工作的系統(tǒng)和方法，RH傳感器測量提供給燃料電池堆的陰極入口空氣的相對濕度，HFR測量電路測量燃料電池堆水含量，且更具體地涉及通過確定來自于RH傳感器或HFR電路的輸出信號是否有效來確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氫是非常有吸引力的燃料，因為氫是清潔的且能夠用于在燃料電池中有效地產(chǎn)生電力。氫燃料電池是電化學(xué)裝置，包括陽極和陰極，電解質(zhì)在陽極和陰極之間。陽極接收氫氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極催化劑處分解以產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子與氧和電子在陰極催化劑處反應(yīng)產(chǎn)生水。來自于陽極的電子不能穿過電解質(zhì)，且因而被引導(dǎo)通過負(fù)載，以在輸送至陰極之前做功。
[0003]質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是車輛的普遍燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常但不總是包括細(xì)分的催化劑顆粒，通常是諸如鉬(Pt)的高活性催化劑，所述催化劑顆粒通常支承在碳顆粒上且與離聚物混合。催化劑混合物沉積在膜的相對側(cè)上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA的制造相對昂貴且需要某些條件以有效操作。
[0004]多個燃料電池通常組合成燃料電池堆以產(chǎn)生期望功率。例如，車輛的典型燃料電池堆可以具有兩百或更多堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，通常是由壓縮機(jī)強(qiáng)制通過燃料電池堆的空氣流。不是所有的氧都由燃料電池堆消耗，且一些空氣作為陰極排氣輸出，所述陰極排氣可以包括作為燃料電池堆的副產(chǎn)物的水。燃料電池堆也接收流入燃料電池堆的陽極側(cè)的陽極氫輸入氣體。
[0005]燃料電池堆包括位于燃料電池堆中多個MEA之間的一系列雙極板，其中，雙極板和MEA位于兩個端板之間。雙極板包括用于燃料電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極偵U。陽極氣體流場設(shè)置在雙極板的陽極側(cè)上，且允許陽極反應(yīng)物氣體流向相應(yīng)MEA。陰極氣體流場設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，且允許陰極反應(yīng)物氣體流向相應(yīng)MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由導(dǎo)電材料制成，如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物。端板將燃料電池產(chǎn)生的電傳導(dǎo)到燃料電池堆之外。雙極板也包括冷卻流體流經(jīng)的流動通道。
[0006]燃料電池內(nèi)的膜需要具有足夠的水含量，從而經(jīng)過膜的離子阻力足夠低以有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。膜濕化可以來自于燃料電池堆水副產(chǎn)物或外部濕化。通過燃料電池堆流動通道的反應(yīng)物流對電池膜具有干燥效應(yīng)，最明顯在反應(yīng)物流的入口處。然而，在流動通道內(nèi)的水滴積聚將防止反應(yīng)物從中流過，且由于低的反應(yīng)物氣體流可能導(dǎo)致電池故障，從而影響燃料電池堆穩(wěn)定性。在反應(yīng)物氣體流動通道內(nèi)以及在氣體擴(kuò)散層(GDL)內(nèi)的水積聚在低燃料電池堆輸出負(fù)載時特別易出故障。
[0007]如上所述，水作為燃料電池堆操作的副產(chǎn)物產(chǎn)生。因而，來自于燃料電池堆的陰極排氣通常包括大量的水蒸汽和液體水。本領(lǐng)域已知使用水蒸汽傳輸(WVT)單元來捕獲陰極排氣中的一些水含量，且使用所述水含量來濕化陰極輸入空氣流。在WVT單元內(nèi)的水傳輸元件的一側(cè)處的陰極排氣中的水由水傳輸元件吸收且傳輸給水傳輸元件的另一側(cè)處的陰極空氣流。典型的WVT單元包括由特定材料制成的膜，其中，膜的一側(cè)上的濕流通過膜傳輸以濕化膜的另一側(cè)上的干流。
[0008]如上所述，通常需要控制燃料電池堆水含量，使得燃料電池堆中的膜具有合適的質(zhì)子傳導(dǎo)率，但是此時如果水在系統(tǒng)關(guān)閉期間凍結(jié)，流動通道未被冰阻塞。本領(lǐng)域已知在燃料電池系統(tǒng)的陰極空氣入口中提供RH傳感器，以在陰極入口氣體流進(jìn)入燃料電池堆時測量陰極入口氣體流的濕化作用。使用測量的入口相對濕度和水物質(zhì)平衡或者水質(zhì)量平衡，可以估計燃料電池系統(tǒng)的RH曲線，包括陰極空氣出口流。RH傳感器提供RH的準(zhǔn)確讀數(shù)的能力由傳感器的成本和復(fù)雜性確定。通常期望限制傳感器的成本，這降低其準(zhǔn)確性。
[0009]確定燃料電池堆水含量的另一技術(shù)在本領(lǐng)域中已知為高頻電阻(HFR)濕化作用測量，其中，在該上下文中，高頻通常為300 Hz-10 kHz。HFR濕化作用測量通過在燃料電池堆的電負(fù)載上提供高頻分量或信號而產(chǎn)生，使得在燃料電池堆的電流輸出上產(chǎn)生高頻脈動。高頻分量的電阻然后由檢測器測量，其是燃料電池堆中的膜的濕化水平的函數(shù)。高頻電阻是燃料電池的熟知屬性，且與燃料電池膜的歐姆電阻或膜質(zhì)子阻力緊密相關(guān)。歐姆電阻本身是燃料電池膜濕化程度的函數(shù)。因而，通過測量激勵電流頻率特定頻帶內(nèi)燃料電池堆的燃料電池膜的HFR，可以確定燃料電池膜濕化程度。該HFR測量允許獨(dú)立測量燃料電池膜濕化作用，可消除對RH傳感器的需要。
[0010]燃料電池系統(tǒng)中有時采用模型來確定燃料電池堆中的水含量。例如，已知采用水緩沖模型，其估計在任何給定時間燃料電池堆中的水量。而且，水傳輸模型是已知的，其使用水緩沖模型來估計WVT單元中的水傳輸。水傳輸模型可以估計陰極空氣入口相對濕度，且通過考慮燃料電池堆中的水緩沖，使用該值和燃料電池堆的各個操作參數(shù)(例如，溫度、陰極化學(xué)計量比、壓力、燃料電池堆電流密度等)估計陰極出口氣體的相對濕度。燃料電池堆內(nèi)的MEA和擴(kuò)散介質(zhì)具有一些水承載容量，從而上述條件的變化不會立即轉(zhuǎn)換為輸出濕度的穩(wěn)態(tài)值。使用陰極出口氣體的相對濕度的估計值和WVT單元的水傳輸能力，模型然后修正陰極入口空氣的相對濕度的估計值。
[0011]如果燃料電池堆操作條件需要陰極出口氣體的不同相對濕度，那么系統(tǒng)控制可以改變流動通過燃料電池堆的冷卻流體的溫度，以改變?nèi)剂想姵囟训臏囟龋@改變陰極空氣可以吸收多少水。具體地，如果燃料電池堆溫度增加，流動通過燃料電池堆的陰極空氣水飽和的能力增加，其中，陰極空氣的絕對濕度可保持相同，但是陰極空氣的相對濕度下降。
[0012]WVT單元隨著時間的經(jīng)過降級，其中，其將水從陰極出口氣體傳輸給陰極入口空氣的效率下降。該現(xiàn)象可能是各種原因的結(jié)果，例如膜污染、膜降級等。對于采用位于WVT單元和燃料電池堆之間的RH傳感器和/或HFR測量電路的那些系統(tǒng)，傳感器或電路的輸出可以用于校正水傳輸模型，使得陰極入口空氣的相對濕度的估計值在WVT單元降級時被調(diào)節(jié)。然而，RH傳感器或HFR電路本身有時失效和/或漂移，其中，傳感器或電路可能不能給出陰極入口空氣的水含量的準(zhǔn)確讀數(shù)。在該情況下，模型可能基于不準(zhǔn)確的相對濕度測量值調(diào)節(jié)，從而引起燃料電池堆操作性能問題。例如，如果RH傳感器或HFR電路給出低于實際值的陰極入口空氣的相對濕度測量值，水傳輸模型可將燃料電池堆的溫度調(diào)節(jié)更低，從而補(bǔ)償察覺的燃料電池堆干燥。這將使得實際陰極入口和出口相對濕度上升至比期望值更高的水平，這將由于流動通道溢流而引起燃料電池堆不穩(wěn)定性。
[0013]此外，系統(tǒng)中的其它傳感器或裝置可能發(fā)生故障，例如，冷卻劑溫度傳感器、陰極空氣流量計、壓力傳感器等。因而，RH傳感器或HFR電路輸出可在傳感器測量值準(zhǔn)確時指示W(wǎng)VT單元降級，但是系統(tǒng)控制可能不能正確地編譯該變化。
[0014]題為“Utilization of HFR-Based Cathode Inlet RH Model in Comparison toSensor Feedback to Determine Failed Water Vapor Transfer Unit and Utilize fora Diagnostic Code and Message”、2011年8月3日提交、轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓者且通過參考引入本文的美國專利申請序列號13/197535公開了使用HFR和RH傳感器測量值來檢測WVT單元中的滲透泄漏的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了用于確定相對濕度(RH)傳感器或高頻電阻(HFR)測量電路是否正常工作的系統(tǒng)和方法，RH傳感器測量提供給燃料電池堆的陰極入口空氣的相對濕度，HFR測量電路測量燃料電池堆水含量。所述方法包括:在進(jìn)入燃料電池堆且增加陰極入口空氣的水含量之前，提供通過水蒸汽傳輸(WVT)單元的陰極入口空氣。所述方法還將陰極出口氣體提供給WVT單元以提供濕化，用于增加陰極入口空氣的水含量。所述方法使用水緩沖模型，用于基于來自于多個系統(tǒng)部件的輸入而確定燃料電池堆的水含量，且使用HFR濕化信號或RH傳感器信號來修正水傳輸模型，以校正WVT單元降級。所述方法確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作，例如通過確定HFR濕化信號是否以比燃料電池堆水含量能夠改變的速率更快的速率增加。
[0016]方案1.一種用于識別確定燃料電池堆中的水含量的失敗的方法，所述方法包括: 將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側(cè)；
將陰極出口氣體提供給陰極空氣流，以提供濕化，用于增加陰極入口空氣的水含量； 從確定燃料電池堆中的水含量的高頻電阻(HFR)電路提供HFR濕化信號；
從測量陰極空氣流中的相對濕度(RH)的RH傳感器提供RH信號；
基于來自于多個系統(tǒng)部件的輸入使用水緩沖模型來確定燃料電池堆的水含量；
使用水傳輸模型，以使用來自于水緩沖模型的水含量估計值來確定傳輸給陰極空氣流的水量；
使用HFR濕化信號或RH信號修正水傳輸模型；以及 確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作。
[0017]方案2.根據(jù)方案I所述的方法，其中，確定HFR電路是否正常工作包括:如果HFR信號中的變化顯示燃料電池堆的水含量下降比燃料電池堆水含量可能多快地變化更大，那么確定HFR電路未正常工作。
[0018]方案3.根據(jù)方案2所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果HFR電路未正常工作，那么阻止使用HFR信號修正水傳輸模型。
[0019]方案4.根據(jù)方案I所述的方法，其中，將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側(cè)包括:在進(jìn)入燃料電池堆從而增加陰極空氣流的水含量之前，使得陰極空氣流流動通過水蒸汽傳輸(WVT)單元，且其中，使用HFR濕化信號或RH信號修正水傳輸模型包括校正WVT單元降級。
[0020]方案5.根據(jù)方案4所述的方法，其中，確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作包括:如果水傳輸模型指示W(wǎng)VT單元性能改進(jìn)超過預(yù)定極限值，那么確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
[0021]方案6.根據(jù)方案5所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果RH傳感器或HFR電路未正常工作，那么使用預(yù)定值修正水含量模型。
[0022]方案7.根據(jù)方案5所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果RH傳感器或HFR電路未正常工作，那么使用基于WVT單元已經(jīng)工作的小時數(shù)的值來修正水傳輸模型。
[0023]方案8.根據(jù)方案4所述的方法，其中，確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作包括:如果水傳輸模型指示W(wǎng)VT單元的性能在一定時間點(diǎn)低于預(yù)定性能，那么確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
[0024]方案9.根據(jù)方案8所述的方法,其中，修正水傳輸模型包括:盡管水傳輸模型指不WVT單元的性能低于預(yù)定性能，仍然使用RH傳感器讀數(shù)或HFR電路測量值修正水傳輸模型。
[0025]方案10.根據(jù)方案I所述的方法，還包括:如果確定HFR電路或RH傳感器正常工作但是水緩沖模型指示燃料電池堆水含量在不應(yīng)當(dāng)變化時變化，確定系統(tǒng)部件中的一個未
正常工作。
[0026]方案11.根據(jù)方案10所述的方法，其中，使用水傳輸模型包括阻止使用水傳輸模型來確定燃料電池堆水含量且使用HFR信號來確定燃料電池堆水含量。
[0027]方案12.—種用于識別確定燃料電池堆中的水含量的失敗的方法，所述方法包括:
將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側(cè)，所述陰極空氣流在進(jìn)入燃料電池堆從而增加陰極空氣流的水含量之前流動通過水蒸汽傳輸(WVT)單元；
將陰極出口氣體提供給WVT單元，以提供濕化，用于增加陰極入口空氣的水含量； 從確定燃料電池堆中的水含量的高頻電阻(HFR)電路提供HFR濕化信號；
基于來自于多個系統(tǒng)部件的輸入使用水緩沖模型來確定燃料電池堆的水含量；
使用水傳輸模型，以使用來自于水緩沖模型的水含量估計值來確定通過WVT單元傳輸?shù)乃浚?br> 使用HFR濕化信號修正水傳輸模型以校正WVT單元降級；以及如果HFR信號中的變化比燃料電池堆水含量可能多快地變化更大，那么確定HFR電路未正常工作。
[0028]方案13.根據(jù)方案12所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果HFR電路未正常工作，那么阻止使用HFR信號修正水傳輸模型。
[0029]方案14.根據(jù)方案12所述的方法，還包括:如果確定HFR電路正常工作但是水緩沖模型指示燃料電池堆水含量在不應(yīng)當(dāng)變化時變化，確定系統(tǒng)部件中的一個未正常工作。
[0030]方案15.根據(jù)方案14所述的方法,其中，使用水傳輸模型包括阻止使用水傳輸模型來確定燃料電池堆水含量且使用HFR信號來確定燃料電池堆水含量。
[0031]方案16.—種用于識別確定燃料電池堆中的水含量的失敗的方法，所述方法包括:
將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側(cè)，所述陰極空氣流在進(jìn)入燃料電池堆從而增加陰極空氣流的水含量之前流動通過水蒸汽傳輸(WVT)單元；
將陰極出口氣體提供給WVT單元，以提供濕化，用于增加陰極入口空氣的水含量； 從確定燃料電池堆中的水含量的高頻電阻(HFR)電路提供HFR濕化信號；
從測量陰極空氣流中的相對濕度(RH)的RH傳感器提供RH信號，RH傳感器設(shè)置在WVT單元和燃料電池堆之間；
基于來自于多個系統(tǒng)部件的輸入使用水緩沖模型來確定燃料電池堆的水含量；
使用水傳輸模型，以使用來自于水緩沖模型的水含量估計值來確定通過WVT單元傳輸?shù)乃浚?br> 使用HFR濕化信號或RF信號修正水傳輸模型以校正WVT單元降級；以及確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作，包括:如果水傳輸模型指示W(wǎng)VT單元性能改進(jìn)超過預(yù)定極限值，那么確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
[0032]方案17.根據(jù)方案16所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果RH傳感器或HFR電路未正常工作，那么使用預(yù)定值修正水傳輸模型。
[0033]方案18.根據(jù)方案16所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果RH傳感器或HFR電路未正常工作，那么使用基于WVT單元已經(jīng)工作的小時數(shù)的值來修正水傳輸模型。
[0034]方案19.根據(jù)方案15所述的方法，其中，確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作包括:如果水傳輸模型指示W(wǎng)VT單元的性能在一定時間點(diǎn)低于預(yù)定性能，那么確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
[0035]方案20.根據(jù)方案19所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:盡管水含量模型指示W(wǎng)VT單元的性能低于預(yù)定性能，仍然使用RH傳感器讀數(shù)或HFR電路測量值修正水傳輸模型。
[0036]本發(fā)明的附加特征將從以下說明和所附權(quán)利要求書結(jié)合附圖顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是燃料電池系統(tǒng)的簡化示意性框圖；
圖2是曲線圖，水平軸為時間，豎直軸為HFR測量值，示出了基于HFR測量值的突然跳躍指示HFR電路故障的示例；
圖3是曲線圖，水平軸為時間，豎直軸為測量WVT單元水傳輸速率，圖示了緩慢RH傳感器漂移；
圖4是曲線圖，水平軸為時間，豎直軸為HFR測量值，示出了濕化合理性診斷的示例；和 圖5是流程圖，示出了用于確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作的過程。
【具體實施方式】
[0038]涉及用于識別燃料電池系統(tǒng)中的HFR電路或RH傳感器故障的系統(tǒng)和方法的本發(fā)明實施例的以下闡述本質(zhì)上僅僅是示例性的且絕不旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。
[0039]圖1是包括燃料電池堆12的燃料電池系統(tǒng)10的示意性框圖。壓縮機(jī)14通過測量陰極空氣流量的空氣流量計36和濕化陰極輸入空氣的水蒸汽傳輸(WVT)單元34在陰極輸入線路16上提供空氣流至燃料電池堆12的陰極側(cè)。陰極排氣在陰極排氣線路18上從燃料電池堆12輸出，該陰極排氣線路將陰極排氣導(dǎo)向至WVT單元34以提供濕度以濕化陰極輸入空氣。RH傳感器38設(shè)置在陰極輸入線路16中以在其已經(jīng)由WVT單元34濕化后提供陰極輸入空氣流的RH測量。溫度傳感器42設(shè)置為可以在系統(tǒng)10中采用的一個或多個溫度傳感器的總體表示，其可操作獲得系統(tǒng)10中的燃料電池堆12和/或各個流體流動區(qū)域的溫度。
[0040]燃料電池系統(tǒng)10還包括氫燃料的源20，典型地為高壓罐，其提供氫氣至噴射器22，該噴射器22在陽極輸入線路24上噴射受控量的氫氣至燃料電池堆12的陽極側(cè)。盡管未具體地示出，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解將要提供各種壓力調(diào)節(jié)器，控制閥，截止閥等，從而以適于噴射器22的壓力從源20供給高壓氫氣。噴射器22可以是適于在此討論的目的的任意噴射器。一個例子是題為 “Combination of Injector/Ejector for Fuel CellSystems”、在2008年I月22日授權(quán)、轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓者并且在此作為參考引入的美國專利號7，320，840中描述的噴射器/排出器。
[0041]陽極流出的輸出氣體在陽極輸出線路26上從燃料電池堆12的陽極側(cè)輸出，其提供至排出閥28。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會更好地理解，來自燃料電池堆12的陰極側(cè)的氮?dú)鉂B透稀釋了燃料電池堆12的陽極側(cè)中的氫氣，由此影響了燃料電池堆的性能。因此，需要周期性地將來自陽極子系統(tǒng)的陽極流出氣體排出以減少陽極子系統(tǒng)中氮?dú)獾牧?。?dāng)系統(tǒng)10在正常的非排出模式中工作時，排出閥28在陽極流出氣體提供至再循環(huán)線路30的位置處，再循環(huán)線路將陽極氣體再循環(huán)至噴射器22以作為排出器操作并且將再循環(huán)的氫氣提供返回至燃料電池堆12的陽極輸入。當(dāng)命令了排出以減少燃料電池堆12的陽極側(cè)中的氮?dú)鈺r，排出閥28被布置為將陽極流出氣體導(dǎo)向至在線路18上將陽極流出氣體與陰極排氣合并的旁通線路32，其中氫氣被稀釋以適合于環(huán)境。盡管系統(tǒng)10是陽極再循環(huán)系統(tǒng)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將很好理解，本發(fā)明將應(yīng)用到其它類型的燃料電池系統(tǒng)中，包括陽極流量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
[0042]燃料電池系統(tǒng)10還包括以本領(lǐng)域技術(shù)人員將很好理解的方式確定燃料電池堆12中的膜的燃料電池堆膜濕度的HFR電路40。HFR電路40確定燃料電池堆12的高頻電阻，該高頻電阻然后用來確定燃料電池堆12內(nèi)的電池膜的濕化作用。HFR電路40通過確定燃料電池堆12的歐姆電阻或膜質(zhì)子阻力而工作。膜質(zhì)子阻力是燃料電池堆12的膜濕化作用的函數(shù)。
[0043]燃料電池系統(tǒng)10還包括冷卻流體流泵48，其將冷卻流體泵送通過燃料電池堆12內(nèi)的流動通道和燃料電池堆12外的冷卻流體回路50。散熱器46以本領(lǐng)域技術(shù)人員將很好理解的方式降低流動通過回路50的冷卻流體的溫度。燃料電池系統(tǒng)10還包括控制系統(tǒng)10操作的控制器44?？刂破?4操作上文提及類型的水緩沖模型和水傳輸模型，其分別基于來自于系統(tǒng)10中的部件(包括但不限于質(zhì)量流量計36和溫度傳感器42)的多個和各個輸入來估計WVT單元34中的燃料電池堆水含量和水傳輸。控制器44還接收來自于HFR電路40的HFR測量信號和來自于RH傳感器38的RH測量信號，且可以在WVT單元34降級時使用這些輸入來更新模型。如所述的，控制器44控制系統(tǒng)10的操作，包括排出閥28、壓縮機(jī)14、噴射器22、泵48等。
[0044]本發(fā)明提出了一種用于確定來自于HFR電路40的HFR測量信號是否漂移或者電路40是否發(fā)生故障和/或來自于RH傳感器38的輸出是否漂移或者傳感器38是否發(fā)生故障的系統(tǒng)和方法。更具體地，下文所述的技術(shù)將識別三種獨(dú)立故障，包括HFR測量值的突然跳躍、緩慢RH傳感器或HFR測量漂移和濕化合理性確定，其確定在應(yīng)當(dāng)沒有變化發(fā)生時RH傳感器或HFR電路是否提供表示水含量變化的信號。控制器44將操作各個算法和方法以執(zhí)行下文所述的各個診斷和控制。
[0045]用于確定HFR濕化的突然跳躍的診斷過程監(jiān)測來自于電路40的HFR測量信號，以基于HFR測量信號中的突然的物理上不可能的跳躍來確定是否提供不合理的值。燃料電池堆12中的MEA可能僅僅基于質(zhì)量傳輸和第二定律考慮而如此快地干燥，從而如果發(fā)生比膜的理論干燥速率更快的信號跳躍，那么可以推斷HFR電路40不正常工作。圖2是曲線圖，水平軸為時間t，單位:秒，豎直軸為來自于電路40的HFR測量值，示出了可能的事件。曲線圖線60示出了在位置62處HFR測量信號在小于I秒內(nèi)從例如大約50 mQ-cm2至500mQ-cm2的水平的跳躍，這是系統(tǒng)物理上不可能的HFR測量速率增加。最大物理速率可能是陰極空氣流量的函數(shù)，因為其極大地影響電池膜的干燥速率。在檢測該故障時可以采取的一個補(bǔ)救動作是中斷使用HFR測量信號調(diào)節(jié)或修改水傳輸模型且忽略HFR測量信號。如果HFR信號回到燃料電池堆水緩沖的預(yù)測內(nèi)的線中，診斷過程可通過且正常模型調(diào)節(jié)將恢復(fù)。
[0046]第二診斷過程監(jiān)測緩慢傳感器或HFR測量漂移，其中，漂移可能能夠基于在水傳輸模型調(diào)節(jié)上設(shè)置的護(hù)軌或極限值來識別。WVT單元34隨著時間的經(jīng)過應(yīng)該不以改進(jìn)的性能操作。因而，如果HFR電路40或RH傳感器38開始以表示W(wǎng)VT單元34傳輸比理論或?qū)嶋H上可能的更多的水的方式漂移，那么可以給出傳感器故障診斷。如果傳感器38或HFR電路40要以其它方式漂移使得WVT單元34的性能變得更差，那么可能不能斷定是傳感器38或HFR電路40發(fā)生故障還是WVT單元34發(fā)生故障。在任一情況下，診斷過程可以設(shè)定允許服務(wù)技術(shù)人員確定哪個元件不正確工作的標(biāo)志。
[0047]如果由于過高或過低的RH傳感器讀數(shù)或HFR電路測量而觸發(fā)緩慢漂移診斷，那么可以中斷水傳輸模型校正?；谂黾澳囊粯O限值，模型中的水傳輸特性可能變化。如果碰及估計WVT單元34基于察覺的錯誤傳感器傳輸過多水的點(diǎn)，那么WVT單元特性可在水傳輸模型中變化，使得其工作在可接受濕化器性能范圍內(nèi)一定地方的固定值或者與WVT單元34已經(jīng)工作的小時數(shù)相對應(yīng)的值。如果碰及傳感器38或HFR電路40指示W(wǎng)VT單元34欠佳工作的點(diǎn)，水傳輸模型可以以低工作極限值調(diào)節(jié)，直到服務(wù)能夠確定真實故障。
[0048]圖3是曲線圖，水平軸是時間t，單位:小時，豎直軸是測量WVT單元性能，以示出該診斷。曲線圖線70表示W(wǎng)VT單元性能隨著時間的經(jīng)過增加，其中，一旦在線72上達(dá)到最大可能濕化器性能，可實施診斷。
[0049]對于濕化合理性確定診斷，HFR測量值比應(yīng)當(dāng)?shù)母呋蚋?，但是既不是突然跳躍也不是逐漸漂移。在該情況下，假定HFR測量值或RH傳感器值提供準(zhǔn)確讀數(shù)，但是燃料電池堆水含量基于不應(yīng)當(dāng)?shù)臏y量值變化。在該診斷下，假定存在與其它系統(tǒng)部件(例如，空氣流量計36)有關(guān)的問題，這引起測量水含量的變化。在該診斷下，不使用水傳輸模型，而使用實際HFR測量值或RH傳感器讀數(shù)來確定燃料電池堆水含量。診斷可用于這些其它部件故障，但是還沒有識別是哪個原因。在該情況下，由故障部件提供給水傳輸模型的輸入可以使得模型提供不準(zhǔn)確RH估計。
[0050]為了確定HFR電路40是否提供合理測量值，可以觀察HFR測量值和基于燃料電池堆水緩沖模型的預(yù)測HFR測量值之間的差。如果差對于一定時間段過高，控制器44可以設(shè)定將表示傳感器讀數(shù)和模型預(yù)測之間不匹配的故障。由于不知道是系統(tǒng)10中的哪個部件發(fā)生故障，將不可能用更合理值來替換任何值。仍需要采取動作以防止燃料電池堆干燥或溢流。在做任何其它事情之前，需要禁用水傳輸模型調(diào)節(jié)，而與模型針對HFR測量值還是RH傳感器測量值調(diào)節(jié)無關(guān)。除此之外，策略將借助基于HFR的濕化控制。通過已知技術(shù)將HFR測量值與其它操作參數(shù)(例如，冷卻劑溫度、陰極空氣流量、陰極壓力等)相結(jié)合允許控制過程來估計燃料電池堆12的濕化作用?？梢灾贫窕O(shè)定點(diǎn)，使得燃料電池堆12不會過濕或者過干地運(yùn)行。當(dāng)電池膜完全飽和水時，繼續(xù)增加陰極流的過飽和程度將不會由HFR電路40測量。HFR測量信號確定濕化作用的有效性在較干燥條件下(例如，低于100% RH)好很多。由于不知道哪個部件發(fā)生故障，該策略將不確保系統(tǒng)10如最佳性能時那樣精確地運(yùn)行。
[0051]通常，由于較低溫度通常意味著較低性能，因而存在冷卻劑溫度設(shè)定點(diǎn)的下限，例如40-50°C。膜的傳導(dǎo)率隨著溫度降低而降低。在低溫下，電極運(yùn)動性能變得更緩慢。由于在診斷受挫的情況下傳感器錯誤可能是嚴(yán)重的，因而可能需要具有減少最小溫度設(shè)定點(diǎn)以確保濕化控制至合理水平的能力。濕化需要與保持一定水平的性能的需要進(jìn)行平衡。由于系統(tǒng)中存在故障，系統(tǒng)的正常功率容量可能不可用。
[0052]圖4是曲線圖，水平軸為時間t，單位:秒，豎直軸為HFR測量值，圖示了該診斷。在該圖示中，特定穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)操作的估計HFR測量值由曲線圖線80示出，在該時間期間的實際HFR測量信號由曲線圖線82示出，其中，曲線圖線84表示可能的最大HFR增加速率。在該診斷中，假定HFR測量值正確且由于基于模型的估計值穩(wěn)定，還假定系統(tǒng)中的一些部件發(fā)生故障或以其他方式不工作。
[0053]圖5是流程圖90，示出了基于上文的討論來確定RH傳感器38和/或HFR電路40是否正常工作的過程。框92處的時間t和框94處的時間t - δ t的HFR電路測量值提供給比較菱形塊96，以確定HFR測量值是否增加超過最大計算可能速率。如果是，算法在框98設(shè)定故障，表示HFR電路測量值無效且不應(yīng)當(dāng)使用。如果在比較菱形塊96處兩個HFR電路測量值讀數(shù)之間的差是物理上可能的值，那么算法在框100確定HFR測量值有效。算法然后在框102將調(diào)節(jié)WVT單元性能度量與最大預(yù)期度量進(jìn)行比較且在判定菱形塊104處確定該比較是否高于預(yù)定最大性能度量。如果在判定菱形塊104處算法確定WVT單元34的性能好于合理可能的，在框106處算法確定用于調(diào)節(jié)水傳輸模型的RH傳感器38或HFR電路40的故障。如果在判定菱形塊104處WVT單元34的性能是可接受的，那么算法在框108處將從水緩沖模型估計的燃料電池堆12中的水含量與HFR電路測量值進(jìn)行比較，且在判定菱形塊110處確定其是否處于預(yù)定范圍內(nèi)。如果在判定菱形塊110處其處于預(yù)定范圍內(nèi)，那么在框112，HFR測量值與模型估計值匹配且系統(tǒng)正常工作。如果在判定菱形塊110處比較不處于預(yù)定范圍內(nèi)，那么在框114，算法提供表示一些系統(tǒng)部件不正常工作的故障且運(yùn)行預(yù)定緩解策略。
[0054]要注意的是，上文討論的所有實施例涉及包括用于濕化陰極入口空氣的WVT單元的燃料電池系統(tǒng)。然而，本領(lǐng)域已知使用氧消耗的陰極排氣直接濕化陰極入口空氣，而不需要WVT單元。兩個設(shè)計都具有優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認(rèn)識到上文討論的“突然跳躍”診斷和“合理性確定”診斷可以如何修改用于不采用WVT單元而包括陰極再循環(huán)設(shè)計的那些系統(tǒng)。例如，不是使用WVT模型來預(yù)測返回陰極入口的水含量的數(shù)量，可以使用確定再循環(huán)流量的其它模型或測量值。
[0055]本領(lǐng)域技術(shù)人員將很好地理解，在此討論用來描述本發(fā)明的幾個和多個步驟和處理可以稱為由使用電學(xué)現(xiàn)象操作和/或轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的計算機(jī)，處理器或其它電子計算裝置執(zhí)行操作。那些計算機(jī)和電子裝置可以使用各種易失性和/或非易失性存儲器，包括具有存儲在其上的可執(zhí)行程序的非暫態(tài)計算機(jī)可讀介質(zhì)，該可執(zhí)行程序包括能夠由計算機(jī)或處理器執(zhí)行的各種代碼或可執(zhí)行指令，其中存儲器和/或計算機(jī)可讀介質(zhì)可以包括所有形式和類型的存儲器以及其它計算機(jī)可讀介質(zhì)。
[0056]前述說明僅僅公開和描述本發(fā)明的示例性實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員從這種說明和附圖以及權(quán)利要求書將容易認(rèn)識到，能夠?qū)Ρ景l(fā)明進(jìn)行各種變化、修改和變型，而不偏離由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于識別確定燃料電池堆中的水含量的失敗的方法，所述方法包括: 將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側(cè)； 將陰極出口氣體提供給陰極空氣流，以提供濕化，用于增加陰極入口空氣的水含量； 從確定燃料電池堆中的水含量的高頻電阻(HFR)電路提供HFR濕化信號； 從測量陰極空氣流中的相對濕度(RH)的RH傳感器提供RH信號； 基于來自于多個系統(tǒng)部件的輸入使用水緩沖模型來確定燃料電池堆的水含量； 使用水傳輸模型，以使用來自于水緩沖模型的水含量估計值來確定傳輸給陰極空氣流的水量； 使用HFR濕化信號或RH信號修正水傳輸模型；以及 確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定HFR電路是否正常工作包括:如果HFR信號中的變化顯示燃料電池堆的水含量下降比燃料電池堆水含量可能多快地變化更大，那么確定HFR電路未正常工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果HFR電路未正常工作，那么阻止使用HFR信號修正水傳輸模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側(cè)包括:在進(jìn)入燃料電池堆從而增加陰極空氣流的水含量之前，使得陰極空氣流流動通過水蒸汽傳輸(WVT)單元，且其中，使用HFR濕化信號或RH信號修正水傳輸模型包括校正WVT單元降級。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作包括:如果水傳輸模型指示W(wǎng)VT單元性能改進(jìn)超過預(yù)定極限值，那么確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果RH傳感器或HFR電路未正常工作，那么使用預(yù)定值修正水含量模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果RH傳感器或HFR電路未正常工作，那么使用基于WVT單元已經(jīng)工作的小時數(shù)的值來修正水傳輸模型。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作包括:如果水傳輸模型指示W(wǎng)VT單元的性能在一定時間點(diǎn)低于預(yù)定性能，那么確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
9.一種用于識別確定燃料電池堆中的水含量的失敗的方法，所述方法包括: 將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側(cè)，所述陰極空氣流在進(jìn)入燃料電池堆從而增加陰極空氣流的水含量之前流動通過水蒸汽傳輸(WVT)單元； 將陰極出口氣體提供給WVT單元，以提供濕化，用于增加陰極入口空氣的水含量； 從確定燃料電池堆中的水含量的高頻電阻(HFR)電路提供HFR濕化信號； 基于來自于多個系統(tǒng)部件的輸入使用水緩沖模型來確定燃料電池堆的水含量； 使用水傳輸模型，以使用來自于水緩沖模型的水含量估計值來確定通過WVT單元傳輸?shù)乃浚? 使用HFR濕化信號修正水傳輸模型以校正WVT單元降級；以及 如果HFR信號中的變化比燃料電池堆水含量可能多快地變化更大，那么確定HFR電路未正常工作。
10.一種用于識別確定燃料電池堆中的水含量的失敗的方法，所述方法包括: 將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側(cè)，所述陰極空氣流在進(jìn)入燃料電池堆從而增加陰極空氣流的水含量之前流動通過水蒸汽傳輸(WVT)單元； 將陰極出口氣體提供給WVT單元，以提供濕化，用于增加陰極入口空氣的水含量； 從確定燃料電池堆中的水含量的高頻電阻(HFR)電路提供HFR濕化信號； 從測量陰極空氣流中的相對濕度(RH)的RH傳感器提供RH信號，RH傳感器設(shè)置在WVT單元和燃料電池堆之間； 基于來自于多個系統(tǒng)部件的輸入使用水緩沖模型來確定燃料電池堆的水含量； 使用水傳輸模型，以使用來自于水緩沖模型的水含量估計值來確定通過WVT單元傳輸?shù)乃浚? 使用HFR濕化信號或RF信號修正水傳輸模型以校正WVT單元降級；以及確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作，包括:如果水傳輸模型指示W(wǎng)VT單元性能改進(jìn)超過預(yù)定極限值，那么確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
【文檔編號】H01M8/04GK103915641SQ201310734126
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月28日
【發(fā)明者】D.R.勒布策爾特, D.H.克斯庫拉, T.K.普雷斯頓, J.P.諾蘭 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司